William Gregor, um mineralogista e químico amador, descobriu a ilmenita - alguma areia preta contendo um dos metais mais leves do mundo - no Reino Unido em 1791. Quatro anos depois, este metal leve foi isolado e denominado "titânio" por um químico alemão Martin Heinrich Klaproth.

O titânio tem resistência comparável ao aço, o metal mais usado do mundo, mas é cerca de 56% mais denso e 45% mais leve. O titânio puro é muito difícil de extrair da ilmenita e, por isso, levou cerca de 145 anos para que o metal se tornasse geralmente útil.

Ligas de titânio são feitas quando quantidades controladas de outros elementos, como cromo, ferro, vanádio, alumínio, azoto, nióbio, molibdênio, rutênio - são adicionados ao titânio.

Adicionar outros elementos ao titânio pode torná-lo mais forte ou mais resistente à corrosão. Esse, ao lado de outras qualidades, faz ligas de titânio procuradas no setor aeroespacial, automotivo, químico, jóias, biomédico, construção e outras indústrias.

Mas o titânio e suas ligas são muito caros. Como o titânio é difícil de extrair de seu minério, a criação de produtos acabados envolve muitas etapas complexas que demandam muita energia e geram muitos resíduos. Por exemplo, na indústria aeroespacial, onde é mais comumente usado, 11 kg de titânio perfazem apenas 1 kg de um produto acabado.

Meus colegas e eu estamos estudando como podemos desenvolver novas ligas de titânio de baixo custo na África do Sul que possam ser usadas em setores não aeroespaciais. Pesquisas como essa estão acontecendo em outras partes do mundo, enquanto os cientistas trabalham para reduzir o custo das ligas de titânio.

Se nosso trabalho for bem sucedido, no meu conhecimento, estas podem ser as primeiras ligas de titânio de baixo custo projetadas localmente na África do Sul. Ligas de baixo custo abririam caminho para carros econômicos e econômicos e implantes e próteses médicas acessíveis. A indústria também criaria oportunidades de emprego e geraria receita com vendas.

Tipos de liga

As ligas de titânio podem existir em três formas básicas - alfa, beta e uma combinação de alfa e beta - dependendo da quantidade e do tipo de metal adicionado.

As ligas de titânio alfa são criadas quando elementos como o alumínio, lata, oxigênio e nitrogênio são adicionados ao titânio. Isso permite que a liga mantenha sua estrutura em temperaturas de até 882 ° C e melhora sua resistência. Também é resistente à corrosão e à fluência - o que significa que demora a se deformar durante um longo período de exposição a altos níveis de estresse.

Mas as ligas de titânio alfa são mais difíceis de formar em formas e, em comparação com outras ligas, não melhora quando aquecido ou resfriado. Eles são normalmente usados ​​para estruturas aeroespaciais, motores e vasos que precisam suportar pressão.

As ligas de titânio beta são feitas quando grandes quantidades de elementos, como o ferro, vanádio, cromo e molibdênio - são adicionados. A resistência à temperatura ambiente desta liga é alta, enquanto sua resistência a altas temperaturas é pobre. Essas ligas podem ser facilmente formadas em formas, mesmo em temperatura ambiente, tornando-os um material atraente para implantes ortopédicos.

O terceiro tipo de liga combina alfa e beta. Isso significa que quantidades consideráveis ​​de elementos estabilizadores alfa e beta - como ferro e alumínio - são adicionados. Isso dá às ligas uma boa combinação de resistência e ductilidade. Eles são de longe a liga mais desenvolvida e mais utilizada. Eles são adequados para uma ampla gama de aplicações, desde a indústria aeroespacial até automotiva e biomédica.

Ligas mais baratas

Nosso foco é fazer um tipo mais barato da terceira liga:combinação de alfa e beta.

Estamos fazendo isso alterando as quantidades de elementos que estão na liga comercial, conhecido como Ti-6Al-4V. Por exemplo, substituímos a maior parte do vanádio por ferro, porque o vanádio é raro e caro, cerca de 150 vezes mais caro que o ferro. Temos que ter cuidado em nossas proporções porque, por exemplo, o ferro pode segregar durante a fusão e formar diferentes compostos.

Também reduzimos a quantidade de alumínio na liga. Isso ocorre porque estudos anteriores relataram que ligas de titânio contendo alumínio eram difíceis de formar, e assim resultou no desgaste de ferramentas.

A próxima etapa foi reduzir o desperdício de material quando as ligas estão sendo moldadas em formas. A formação de ligas de titânio em diferentes formatos geralmente é responsável por 30% do custo total de produção de produtos de titânio, e até 20% de resíduos gerados.

Para fazer isso, observamos até que ponto as microestruturas (estrutura interna que só pode ser vista com microscópios) podem ser manipuladas para obter as propriedades desejadas nas ligas. Isso reduziria o custo durante a produção comercial porque sabemos até que ponto podemos esticar ou prensar a liga sem que ela se quebre.

Produzindo ligas

Produzimos as ligas por uma técnica convencional chamada fusão a arco a vácuo. O forno de fusão a arco a vácuo está localizado na Mintek - organização nacional de pesquisa e desenvolvimento da África do Sul.

A limitação disso é que apenas amostras do tamanho de um botão foram produzidas. Portanto, não poderíamos fazer amostras para uma grande variedade de testes.

Comparamos a dureza das ligas e descobrimos que as ligas recém-fabricadas tinham valores de dureza mais altos em comparação com as ligas alfa e beta comerciais. Em alguns casos, eles eram comparáveis.

Também examinamos como as ligas recém-fabricadas corroem em soluções salinas e ácidas e descobrimos que elas tinham melhor resistência à corrosão em ambas as soluções.

Pudemos testar amostras das ligas em diferentes temperaturas e velocidade de conformação para encontrar a melhor combinação para conformar as ligas em formas sem defeitos. Vimos que as ligas tinham uma ampla janela de processamento. Apenas um pequeno conjunto de temperaturas e velocidades de deformação teve que ser evitado.

Mais a ser feito

Há mais a ser feito. Não podíamos medir a resistência à temperatura ambiente dessas ligas porque precisávamos de amostras maiores.

Também não estudamos a soldabilidade dessas ligas ou como é fácil cortá-las à máquina em diferentes formas e tamanhos. A usinagem de ligas de titânio é responsável por cerca de 30% -40% do custo total de sua fabricação.

Com o apoio de um programa de bolsa de pós-doutorado da Academia Africana de Ciências, recebemos financiamento para continuar nossos estudos nas ligas recém-desenvolvidas. Agora podemos produzir amostras maiores usando o forno de fusão por indução a vácuo do Council for Scientific and Industrial Research.

O maior desafio ao fazer ligas maiores é que tivemos que improvisar. Usamos um forno de fusão a vácuo que não foi projetado para fazer novas ligas. O forno correto está disponível na África do Sul, mas precisa de reparos.

Contudo, nossos resultados até agora são encorajadores.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.